JP2007108187A - Rolling device with sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ付転動装置に関し、機械装置などの予防保全、例えば温度変化が大きい環境下で使用される鉄道車両、自動車、搬送車などの移動体の軸受装置やギヤボックス等の予防保全に最適なものである。また、電気情報機器用の軸受等の異常検知にも適用でき、ボールねじやリニアガイドなどの直動部品の異常検知にも適用できる。 The present invention relates to a rolling device with a sensor, such as preventive maintenance of a mechanical device, for example, preventive maintenance of a bearing device or a gear box of a moving body such as a railway vehicle, an automobile, or a transport vehicle used in an environment where a temperature change is large. It is the best one. Further, the present invention can be applied to abnormality detection of a bearing for electrical information equipment, and can also be applied to abnormality detection of linear motion parts such as a ball screw and a linear guide.
従来、転動装置における軸受の剥離等の異常を検出するために、転動装置に温度センサが設けられている。剥離等の異常が生じた際に転動装置の温度が上昇することを、温度センサで検出していた。 Conventionally, a temperature sensor is provided in the rolling device in order to detect an abnormality such as peeling of a bearing in the rolling device. It has been detected by a temperature sensor that the temperature of the rolling device rises when an abnormality such as peeling occurs.
しかし、温度センサのみで転動装置の異常を検出する場合、例えば軸受の温度が上昇しても、その温度が温度センサまで伝わるのに時間がかかり、異常を早期に検出することが難しかった。そこで、振動センサを使用して、転動装置の異常を検出することが試みられている。図９に、そのようなセンサ付転動装置の一例を示す。センサ付転動装置（センサ付軸受装置）８０は、軸方向に間隔をあけて配された一対の転がり軸受８１，８１の外輪８２，８２に外嵌されたハウジング８８に、検出器（センサユニット）９０を取り付けた構成になっている。検出器９０は、ハウジング８８の内面と外面とを貫通する取付孔８８ａに挿通されて、ボルト９９によりハウジング８８に固定されている。
However, when an abnormality of the rolling device is detected only by the temperature sensor, for example, even if the temperature of the bearing rises, it takes time for the temperature to be transmitted to the temperature sensor, and it is difficult to detect the abnormality early. Therefore, it has been attempted to detect abnormality of the rolling device using a vibration sensor. FIG. 9 shows an example of such a rolling device with a sensor. A sensor-equipped rolling device (sensor-equipped bearing device) 80 is provided with a detector (sensor unit) in a
検出器９０は、転動装置の状態を検出するために、振動センサ（加速度センサ）をセンサケース９１内に備えている。振動センサの振動検出素子１００としては、片持ち構造や両持ち構造の圧電素子が使用されている。振動検出素子１００は、プリント基板９５に実装されている。軸受の剥離等の異常が生じると、転動装置が振動する。振動センサはこの振動を検出して、外部に伝送する。
The
プリント基板９５に実装された振動検出素子１００や他の電子部品に対する給電や信号の送受等は、一端がプリント基板９５に接続されたケーブル９８によって行われる。本実施の形態の場合、一端がプリント基板９５に接続されたケーブル９８は、センサケース９１のケーブル取出口９１ａにねじ込み装着された筒構造のケーブルグランド９３を介して、センサケース９１の外部に引き出されて、外部の電源あるいは計測装置等に接続される。
Power supply to the
ケーブルグランド９３は、詳細は図示していないが、センサケース９１のケーブル取出口９１ａに螺合するねじ部を外周に有した円筒状のケース螺合部と、このケース螺合部を挿通する前記ケーブル９８の外周部を把持するケーブル支持管部とを有した構造で、ケーブル支持管部にはケーブル等の間の隙間を塞ぐパッキン等が装備されて、挿通したケーブル９８の固定と、ケーブル挿通部の防水等を図る。
Although the
しかし、従来のセンサ付転動装置８０ように、振動検出素子１００として片持ち構造や両持ち構造の圧電素子を使用し、圧電素子の静電容量の変化によって発生する微小電圧を外部に伝送する場合、ノイズに弱いなどの問題があった。そこで、センサケース９１にアンプを内蔵し、振動検出素子１００からの出力電圧を増幅してからセンサ外部に伝送する方法が試みられている。しかし、この方法では、振動検出素子１００やプリント基板９５の固有振動数成分が増幅の阻害要因となり、振動を正確に測定できないことがあった。
However, like the conventional rolling device with a
すなわち、振動検出素子１００やプリント基板９５には固有振動数が存在し、その固有振動数に近い加振周波数成分が加わると、それらが共振してしまう。この際、図１０（Ａ）に示すように、振動検出素子の出力は、検出信号Ｖに、固有振動数による共振周波数成分が重畳された信号Ｎとなる。ここでは説明のため、単一周波数成分の検出信号Ｖに、固有振動数による共振周波数成分が重畳された様子を示している。一般に共振周波数成分の振幅は、共振現象のため、その他の周波数成分の信号振幅に比べ、１０倍以上も高レベルになる。図１０（Ａ）のような出力信号をそのまま増幅すると、図１０（Ｂ）に示すように共振周波数成分も増幅されて、共振周波数成分がオペアンプの出力上限を超えてしまう場合がある。オペアンプの出力電圧の上限、下限を＋ＶOP，−ＶOPとすると、＋ＶOP以上、−ＶOP以下の出力はでないので、結果として、図１０（Ｃ）に示すように、増幅後の信号波形ＶOが本来の信号波形からずれることがあった。また、この信号を外部で受信するときに、ローパスフィルタを挿入すれば、固有振動数成分が減衰されて本来の波形に近くなるが、前記のように共振周波数成分がオペアンプの出力上限を超えてしまうと、図１０（Ｄ）に示すように、ローパスフィルタ直後の波形が、ＶFOのように本来の信号波形からずれることがあった。
That is, the
また、センサケース９１からのケーブル９８の取り出しにケーブルグランド９３を使用する構造では、ケーブルグランド９３自体がセンサケース９１の外部に大きく突出する構造となるため、検出器が大型化するという問題があった。
Further, in the structure in which the
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、転動装置の振動等の状態を正確に外部に知らせることができる検出器及びセンサ付転動装置を提供すること、更には、ケーブル取出口に十分な防水性を確保して浸水に起因する動作不良の発生を長期に渡って防止すると同時に、装置の小型化を実現することのできる検出器及びセンサ付転動装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a detector and a sensor-equipped rolling device that can accurately notify the outside of a state of vibration or the like of the rolling device. Provides a detector and sensor-equipped rolling device that can secure a sufficient waterproof property at the cable outlet to prevent the occurrence of malfunction due to inundation for a long period of time and at the same time reduce the size of the device. There is to do.
本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１） 転動装置の状態を検出する検出器であって、プリント基板と、前記プリント基板に実装された振動検出素子とを少なくとも有し、前記プリント基板の板方向と、前記振動検出素子の振動検出方向とが平行に設定されていることを特徴とする検出器。
（２） 前記振動検出素子の出力信号に重畳された固有振動数成分を減衰させるローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力信号を増幅する増幅器とを備えていることを特徴とする前記（１）に記載の検出器。
（３） 前記振動検出素子の出力信号がバッファアンプを介して前記ローパスフィルタに供給されることを特徴とする前記（２）に記載の検出器。
（４） 前記振動検出素子として、圧電素子、ひずみゲージ、シリコン加速度センサの少なくとも一つが用いられていることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれか１つに記載の検出器。
（５） 前記プリント基板に、更に温度検出素子が実装されていることを特徴とする前記（１）から（４）のいずれか１つに記載の検出器。
（６） 転動装置の状態を検出する検出器であって、転動装置の状態に関係する物理量を検出する検出素子及び電子部品が実装されたプリント基板と、前記プリント基板を収容するセンサケースと、前記センサケースに貫通形成されたケーブル取出口を挿通して前記センサケース内に位置する一方の端部がセンサケース内の回路に接続されると共に、外部に位置する他方の端部が外部の回路に接続されるケーブルとを備え、前記ケーブル取出口と前記ケーブルとの間の隙間に、防水材を充填したことを特徴とする検出器。
（７） 前記センサケース内に位置するケーブル端がセンサケース内の前記プリント基板に接続されていることを特徴とする前記（６）に記載の検出器。
（８） 前記ケーブル取出口を挿通するケーブルに、前記センサケースの内側から前記ケーブル取出口に嵌合するテーパ状のブッシュを装着していることを特徴とする前記（６）又は（７）に記載の検出器。
（９） 前記防水材は、シリコン樹脂で、その硬度がデュロメータＡで１０〜８０であることを特徴とする前記（６）から（８）のいずれか１つに記載の検出器。
（１０） 前記検出素子が、温度検出素子、振動検出素子、速度検出素子の少なくとも一つであることを特徴とする前記（６）〜（９）のいずれか１つに記載の検出器。
（１１） 前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の検出器を転動装置に備え、前記検出器により前記転動装置の状態を検出することを特徴とするセンサ付転動装置。
（１２） 前記転動装置の外面に、その外面と、前記プリント基板の板方向とが平行になるように前記検出器が設けられていることを特徴とする前記（１１）に記載のセンサ付転動装置。
（１３） 前記転動装置が転がり軸受であることを特徴とする前記（１１）又は（１２）に記載のセンサ付転動装置。
（１４） 前記転動装置がボールねじであることを特徴とする前記（１１）又は（１２）に記載のセンサ付転動装置。
（１５） 前記転動装置がリニアガイドであることを特徴とする前記（１１）又は（１２）に記載のセンサ付転動装置。
The object of the present invention is achieved by the following configurations.
(1) A detector for detecting a state of a rolling device, comprising at least a printed circuit board and a vibration detection element mounted on the printed circuit board, the plate direction of the printed circuit board, and the vibration detection element A detector characterized in that the vibration detection direction is set in parallel.
(2) The method according to (1), further comprising: a low-pass filter that attenuates a natural frequency component superimposed on an output signal of the vibration detection element; and an amplifier that amplifies the output signal of the low-pass filter. The detector described.
(3) The detector according to (2), wherein an output signal of the vibration detection element is supplied to the low-pass filter via a buffer amplifier.
(4) The detector according to any one of (1) to (3), wherein at least one of a piezoelectric element, a strain gauge, and a silicon acceleration sensor is used as the vibration detection element.
(5) The detector according to any one of (1) to (4), wherein a temperature detection element is further mounted on the printed circuit board.
(6) A detector that detects the state of the rolling device, a printed circuit board on which a detection element and an electronic component for detecting a physical quantity related to the state of the rolling device are mounted, and a sensor case that houses the printed circuit board And one end located in the sensor case through the cable outlet formed through the sensor case is connected to a circuit in the sensor case, and the other end located outside is connected to the outside. And a cable connected to the circuit, wherein a gap between the cable outlet and the cable is filled with a waterproof material.
(7) The detector according to (6), wherein a cable end located in the sensor case is connected to the printed circuit board in the sensor case.
(8) In the above (6) or (7), a taper-like bush fitted to the cable outlet from the inside of the sensor case is attached to the cable inserted through the cable outlet. The detector described.
(9) The detector according to any one of (6) to (8), wherein the waterproof material is a silicon resin and has a durometer A hardness of 10 to 80.
(10) The detector according to any one of (6) to (9), wherein the detection element is at least one of a temperature detection element, a vibration detection element, and a speed detection element.
(11) A rolling device with a sensor, wherein the detector according to any one of (1) to (10) is provided in a rolling device, and the state of the rolling device is detected by the detector.
(12) The sensor according to (11), wherein the detector is provided on an outer surface of the rolling device such that the outer surface is parallel to a plate direction of the printed circuit board. Rolling device.
(13) The rolling device with a sensor according to (11) or (12), wherein the rolling device is a rolling bearing.
(14) The rolling device with a sensor according to (11) or (12), wherein the rolling device is a ball screw.
(15) The rolling device with a sensor according to (11) or (12), wherein the rolling device is a linear guide.
上記構成によれば、プリント基板が厚さ方向に振動したとしても、その振動は振動検出素子で検出されない。振動検出素子は、プリント基板の板方向（面方向）に平行な振動を検出するからである。プリント基板自身の板方向（長さ方向）の伸縮剛性は、厚さ方向の曲げ剛性に比べて大きく、プリント基板自身の板方向の固有振動数は高い。仮にプリント基板の板方向の固有振動数でプリント基板が共振したとしても、その固有振動数は高周波数であり、ローパスフィルタによって容易に減衰・除去することができる。したがって、ローパスフィルタの設定周波数（カットオフ周波数）以下の振動を、振動検出素子によって正確に検出することができる。 According to the above configuration, even if the printed circuit board vibrates in the thickness direction, the vibration is not detected by the vibration detecting element. This is because the vibration detection element detects vibration parallel to the plate direction (plane direction) of the printed circuit board. The expansion / contraction rigidity in the plate direction (length direction) of the printed board itself is larger than the bending rigidity in the thickness direction, and the natural frequency in the plate direction of the printed board itself is high. Even if the printed circuit board resonates at the natural frequency in the plate direction of the printed circuit board, the natural frequency is high and can be easily attenuated and removed by the low-pass filter. Therefore, the vibration below the set frequency (cut-off frequency) of the low-pass filter can be accurately detected by the vibration detecting element.
そして、振動検出素子の出力信号を増幅器で増幅してから外部に伝送することで、ノイズ等の影響を受けずに、転動装置の状態を正確に外部に知らせることができる。なお、上記（１３）においていう「転がり軸受」には、複数の転がり軸受の外輪にハウジングが外嵌されてなる、いわゆる軸受装置も、含まれる。 Then, the output signal of the vibration detection element is amplified by an amplifier and then transmitted to the outside, so that the state of the rolling device can be accurately notified to the outside without being affected by noise or the like. The “rolling bearing” referred to in the above (13) includes a so-called bearing device in which a housing is fitted on the outer ring of a plurality of rolling bearings.
また、（６）〜（１０）に示した構成の検出器は、センサケースに貫通形成されたケーブル取出口は、ケーブル挿通後に、ケーブル取出口とケーブルとの間の隙間に防水材を充填することによって、隙間を封止して防水性能を確保するもので、例えば充填する防水材として所定の硬度（弾性）のシリコン樹脂等を使用することで、長期に渡って安定した十分な防水性能を得ることができ、センサケース内の浸水に起因した動作不良等の発生を長期に渡って防止することができる。また、ケーブル取出口への防水材の充填によって防水性能を確保するため、センサケースから大きく突出するケーブルグランドを使用する必要が無くなり、ケーブルグランドの廃止によって、装置の小型化を実現することができる。また、ケーブルグランドの廃止によって部品点数や組み立て工程数が削減されて、コストの低減を図ることができる。 Further, in the detector having the configuration shown in (6) to (10), the cable outlet formed through the sensor case is filled with a waterproof material in the gap between the cable outlet and the cable after the cable is inserted. By sealing the gap and ensuring waterproof performance, for example, by using a silicone resin with a predetermined hardness (elasticity) as a waterproof material to be filled, sufficient waterproof performance stable over a long period of time can be obtained. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of malfunction due to water in the sensor case for a long period of time. In addition, since waterproof performance is ensured by filling the cable outlet with waterproof material, it is not necessary to use a cable gland that protrudes greatly from the sensor case, and the size of the device can be reduced by eliminating the cable gland. . In addition, the abolishment of the cable gland reduces the number of parts and the number of assembly processes, thereby reducing costs.
本発明の検出器のように、プリント基板に搭載された振動検出素子による振動検出方向を、プリント基板の面に沿う方向に設定すれば、プリント基板自体に発生する板厚方向の振動は、振動検出素子の検出対象にならない。従って、転動装置の振動等の状態を正確に外部に知らせることができる検出器及びセンサ付転動装置を提供できる。 If the vibration detection direction by the vibration detection element mounted on the printed circuit board is set to a direction along the surface of the printed circuit board as in the detector of the present invention, the vibration in the thickness direction generated on the printed circuit board itself is vibration. It is not a detection target of the detection element. Therefore, it is possible to provide a detector and a sensor-equipped rolling device that can accurately notify the outside of the rolling device such as vibration.
また、本発明の検出器は、センサケースに貫通形成されたケーブル取出口に防水材を充填することによって、ケーブル取出口の防水性能を確保するもので、防水材を適宜に選定することで、長期に渡って安定した十分な防水性能を得ることができ、センサケース内の浸水に起因した動作不良等の発生を長期に渡って防止することができる。また、ケーブル取出口への防水材の充填によって防水性能を確保するため、センサケースから大きく突出するケーブルグランドを使用する必要が無くなり、ケーブルグランドの廃止によって、装置の小型化を実現することができる。また、ケーブルグランドの廃止によって部品点数や組み立て工程数が削減されて、コストの低減を図ることができる。 In addition, the detector of the present invention is to secure the waterproof performance of the cable outlet by filling the cable outlet formed in the sensor case with a waterproof material, by appropriately selecting the waterproof material, Sufficient waterproof performance stable over a long period of time can be obtained, and the occurrence of malfunctions and the like due to water immersion in the sensor case can be prevented over a long period of time. In addition, since waterproof performance is ensured by filling the cable outlet with waterproof material, it is not necessary to use a cable gland that protrudes greatly from the sensor case, and the size of the device can be reduced by eliminating the cable gland. . In addition, the abolishment of the cable gland reduces the number of parts and the number of assembly processes, thereby reducing costs.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。図１に、本発明の第１の実施の形態のセンサ付転動装置（センサ付軸受装置）１０を示す。センサ付転動装置１０は、軸方向に間隔をあけて配された一対の転がり軸受（ここでは玉軸受）１１，１１と、それら転がり軸受の外輪１２，１２に外嵌されたハウジング１８と、を備えた転がり軸受装置１７に、センサユニット（検出器）２０を取り付けた構成になっている。転がり軸受の内輪１３，１３に、軸１５が内嵌されている。ここでは、外輪１２，１２及びハウジング１８が外方部材かつ静止部材として機能し、内輪１３，１３及び軸１５が内方部材かつ可動部材として機能し、両者の間には転動体（ここでは玉）１４が配されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a sensor-equipped rolling device (sensor-equipped bearing device) 10 according to a first embodiment of the present invention. The sensor-equipped
ハウジング１８は円筒形状に形成されており、一方の（図中右方の）転がり軸受１１よりも軸方向に突出して延びており、その端部には、エンドカバー１９が固定されている。軸１５は、ハウジング１８内で、エンドカバー１９に至る手前で終端している。ハウジング１８のセンサユニット取付部は、円筒状でも、平面状でもよい。
The
センサユニット２０は、上方に開放した収容部を持つセンサケース２１、センサケース２１の開放部を覆うケースカバー２２、センサケース２１のケーブル取出口を挿通するケーブル２３を備え、センサケース２１内にセンサ本体２４が収容されている。センサ本体２４は、プリント基板２５に、振動センサ（加速度センサ）、温度センサ、及び信号を処理するための電子部品などが実装されてなる。
The
図２（Ａ）に示すように、センサケース２１は、ハウジング１８外面上に隙間無く置かれた取付板２１ａと、取付板２１ａに立設された側板２１ｂと、取付板２１ａと同様にハウジング１８外面上に隙間無く置かれて側板２１ｂより外周側に突出したフランジ２１ｃとを有している。取付板２１ａの取付面（ハウジング１８外面に相対する面）は、ハウジング１８外面にならった形状にされている。取付板２１ａと側板２１ｂとで囲まれた収容空間に、センサ本体２４が設置されている。センサ本体２４のプリント基板２５は、その縁部を、側板２１ｂの内側で取付板２１ａ上に設けられた支持台２１ｄに固定されている（両持ち構造でもよいし、プリント基板２５の全周が固定されてもよい）。プリント基板２５は、ハウジング１８の外面と平行に固定されている。プリント基板２５の支持台２１ｄ上に置かれた箇所より内側の箇所は、取付板２１ａとの間に隙間をあけて位置している。プリント基板２５を支持台２１ｄ上に固定するために、ここではねじ等の固定具を用いているが、接着剤等を用いてもよい。プリント基板２５の一方の表面（図では上面；ケースカバー２２側の面）には振動検出素子３０が実装され、プリント基板２５の他方の表面（図では下面；取付板２１ａ側の面）には温度検出素子３１が実装されている。図示しないが、温度センサ、振動センサの取付は、逆でもよいし、一方の表面のみでもよい。軸受装置の状態を監視するための検出素子として、その他の検出素子を設けてもよい。また、速度検出素子を設けてもよい。
As shown in FIG. 2A, the
センサケース２１は、ハウジング１８の外面上に、ねじ等の機械的固定具を用いて固定することが好ましい。こうすることで、軸受装置１７にかかる振動や温度をより正確かつ迅速に検出できる。また、センサケース２１とハウジング１８の間に熱伝導を良くするペーストや接着剤を充填すると、温度の測定精度が向上するので好ましい。
The
振動検出素子３０は、プリント基板２５に表面実装されている。プリント基板２５上には、振動検出素子３０以外に、検出信号の高周波成分を減衰除去するためのローパスフィルタや、信号を増幅するための増幅回路、検出信号を電圧出力又は電流出力（電流ループ出力）で出力するための出力回路及びそれらの回路を構成する電子部品などが表面実装されている。このように、プリント基板２５上に全ての素子を表面実装すると、プリント基板２５をセンサケース２１内に組み込むだけで組立が完了するので、組立工数が少なくてすむ。なお、検出素子や電子部品は、表面実装タイプに限らず、リードが付いているタイプでもよい。リードタイプ及び表面実装タイプの選定は、コスト、組立性などを考慮して適宜選択する。
The
振動検出素子３０の振動検出方向は、プリント基板２５の板方向と平行にされている。すなわち、図中符号Ｖで示す方向の振動（ここではハウジング１８及び軸の軸線方向の振動）を、振動検出素子３０は検出する。この理由は、振動検出の方向をプリント基板２５の板と平行にしない場合は、プリント基板２５の曲げ方向の振動を検出してしまうためである。振動検出素子３０は、軸受装置１７に作用する振動を常時検出して振動の信号（値）を出力し、その振動信号（値）を同じくプリント基板２５に実装された電子部品に供給する。電子部品は、振動検出素子３０から与えられた振動信号（値）を処理し、電圧信号又は電流信号として出力する。
The vibration detection direction of the
また、振動検出方向は、プリント基板２５の板と平行な方向であれば、一方向でも、二方向でも、又はそれ以上でもよい。例えば、図２（Ｂ）に示すように、直交する二方向の振動Ｖ１，Ｖ２を検出するようにできる。このように二方向の振動を検出する場合、その値を合成することで、プリント基板２５に平行な全方向の振動を検出することができる。
Further, the vibration detection direction may be one direction, two directions, or more as long as it is a direction parallel to the plate of the printed
一般にプリント基板２５の曲げ方向の剛性は、プリント基板２５の板方向の伸縮の剛性より小さい。そのため、プリント基板２５の曲げ方向の固有振動数は、板の伸縮方向の固有振動数より低い。測定しようとしている外部振動にこの固有振動数を含む周波数帯域があると、プリント基板２５が曲げ方向に共振してしまう。この際、振動の検出方向をプリント基板２５と平行にしていない場合は、プリント基板２５の曲げ方向の共振の振動を測定してしまい、本来の振動波形を正確に測定することができない。それに対し、本実施形態のように、振動検出方向をプリント基板２５の板と平行な方向にしておくと、曲げ方向の振動は検出しないので、本来の振動波形を正確に測定することができる。
In general, the rigidity of the printed
なお、この曲げ方向の固有振動数は、一般に１〜４ｋＨｚに存在することが多く、測定したい周波数帯域と重複することが多い。それに対し、プリント基板２５の伸縮方向の固有振動数はその剛性が大きいので、１０ｋＨｚ以上にあることが多く、測定したい周波数帯域より高くなる。したがって、振動検出素子３０の振動検出方向をプリント基板２５の板方向（長さ方向）と平行にすることで、測定対象の振動を精度良く測定することができる。この際、ローパスフィルタを用いて、測定対象周波数を超える周波数成分の振動を減衰・除去すると、振動の測定精度をさらに向上させることができる。
The natural frequency in the bending direction generally exists at 1 to 4 kHz, and often overlaps with a frequency band to be measured. On the other hand, the natural frequency in the expansion / contraction direction of the printed
なお、ローパスフィルタが不要な場合は、ローパスフィルタを省いてもよいが、プリント基板２５や振動検出素子の固有振動数成分の振動を除去するためには、ローパスフィルタを設けた方が良い。測定対象の振動周波数が２〜４ｋＨｚ以下の場合で、プリント基板２５の板方向の固有振動数が約１０ｋＨｚ、振動検出素子の固有振動数が約３０ｋＨｚの場合は、設定周波数が５〜６ｋＨｚのローパスフィルタを設けるのが好ましい。この際、ローパスフィルタは、測定対象の周波数以上で、且つ除去したい固有振動数の１／２の周波数以下に設定するのが好ましい。この条件を満足できない場合は、ローパスフィルタの設定周波数は、測定対象周波数以上で、且つ除去したい固有振動数成分の１／２になるべく近い周波数に設定するのが好ましい。また、ローパスフィルタは、１次のフィルタでもよいが、４次フィルタのような高次のフィルタを設けると固有振動数成分の振動を効率良く減衰させることができる。
If the low-pass filter is unnecessary, the low-pass filter may be omitted. However, in order to remove the vibration of the natural frequency component of the printed
なお、振動検出素子３０の固有振動数での振動の値は極端に大きくなることがあり、その値をそのまま増幅すると、増幅器の増幅の上限を超えてしまい、増幅後の波形が変形する場合がある。そのため、少なくとも振動検出素子３０の固有振動数成分の振動は、ローパスフィルタで減衰させるのが好ましい。
Note that the vibration value at the natural frequency of the
振動検出素子３０としては、シリコン加速度センサを用いることもできる。これは、シリコン・マイクロマシン部品（機械素子）を電子回路と同一のシリコン基板上に集積することにより、小型化、高性能化及び低コスト化を図ったものである。シリコン加速度センサは、フォトリソグラフィなどＩＣの製造技術を利用して製造される。しかしシリコン加速度センサに限定はされず、振動検出素子３０として、圧電素子を使用したバイモルフ型の振動センサや、圧電素子と重錘を組合せた振動センサ、あるいは片持ちはり構造の振動センサ等のほか、圧電素子の代わりにひずみゲージを利用した振動センサなどを用いてもよい。また、表面実装タイプの振動検出素子でなく、リードタイプの振動検出素子でもよい。
As the
本実施形態では、振動検出素子だけでなく、温度検出素子３１も設けることで、軸受装置の温度も測定して、振動による異常検出だけでなく、温度によっても異常を検出できる。なお、振動検出素子３０と温度検出素子３１とを、同一のプリント基板２５に一体に設けることで、それぞれのセンサを個別に取り付ける場合に比べて取付工数を削減できる。また、取付スペースも小さくできる。
In the present embodiment, not only the vibration detection element but also the
プリント基板２５から延びた配線（図示せず）は、センサケース２１又はケースカバー２２に貫通形成されたケーブル取出口（図示せず）を挿通して外部に延びたケーブル２３に電気的に接続されている。ケーブル２３を介して外部に伝送する信号は、電圧出力でもよいし、電流出力でもよい。電流出力の場合は、電流ループ出力にすると、ノイズの影響を受けにくくなるので好ましい。電流ループ出力の場合は、ケーブル２３の信号線と電源線をツイストしておくとノイズの影響をさらに受けにくくなるのでより好ましい。また、電圧出力の場合も、ケーブル２３の信号線をツイストしておく方がノイズの影響を受けにくいので好ましい。なお、本実施形態では、ケーブル２３で信号を取り出したが、無線などを使用しワイヤレスで信号を伝送してもよい。ワイヤレスの場合は、可動部材側（内輪１３や軸１５）にセンサを設けてもよい。
A wiring (not shown) extending from the printed
センサケース２１内にプリント基板２５を固定するために、ねじや接着剤を用いる他に、エポキシ樹脂などのモールド材をセンサケース２１内にモールドして固定してもよい。また、ねじで固定した場合、その後にエポキシ樹脂などでモールドしてもよい。また、防水のため、軟らかいシリコン樹脂やシリコンゲルなどを充填してもよい。なお、エポキシ樹脂のような硬い樹脂でモールドする場合は、検出素子や電子部品部分をシリコン樹脂等のやわらかい樹脂で被覆した後に、モールド材でモールドするのが良い。この際、発泡性の樹脂（発泡性シリコン樹脂など）をやわらかい樹脂の上に覆った後にモールド材でモールドすると、温度変化による熱膨張率差によって発生する圧力を緩和できるので、圧力による検出素子や電子部品の破損を防止できるので、さらに好ましい。
In order to fix the printed
本実施形態におけるプリント基板２５上の振動信号用の電子回路は、図３に示すような回路構成にすることができる。図３（Ａ）は、振動検出素子３０の出力信号を増幅器（オペアンプ）３４によって増幅した後に、ローパスフィルタ３３を通過させる方式を示す。振動検出素子３０の出力端子には、バッファアンプ３２，３２が接続され、各バッファアンプ３２の出力端子は、差動増幅器としてのオペアンプ３４の入力端子に接続されている。図３（Ｂ）は、振動検出素子３０の出力信号をローパスフィルタ３３に通し、その後にオペアンプ３４で増幅させる方式を示す。振動検出素子３０の出力端子には、バッファアンプ３２，３２が接続され、各バッファアンプ３２の出力端子は、ローパスフィルタ３３，３３に接続されている。また、各ローパスフィルタ３３，３３の出力端子は、差動増幅器としてのオペアンプ３４の入力端子に接続されている。
The electronic circuit for vibration signals on the printed
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すいずれの方式も採用可能である。図３（Ａ）の方式においても、不要な高周波成分の振動は除去できる。しかし、固有振動数成分の振動値が極端に大きい場合は、増幅時に増幅の上限を超えてしまい、振動波形が歪む場合がある。それに対し、図３（Ｂ）の方式では、最初に固有振動数成分の振動をローパスフィルタで減衰・除去し、その後に増幅するので、固有振動数成分の振動によって波形が歪むことがないので、さらに好ましい。バッファアンプ３２，３２は、高入力インピーダンスかつ低出力インピーダンスに構成され、これにより信号伝達中におけるノイズの影響を抑制できる。すなわち、振動検出素子３０の高インピーダンスの出力信号を、バッファアンプ３２を介してローパスフィルタ３３に供給することで、ノイズの影響をさらに抑制できる。ローパスフィルタ３３，３３は、振動検出素子３０の振動信号（検出信号）は通過させるが、より高周波の固有振動数成分（共振周波数成分）はカットするように、カットオフ周波数を設定されている。このように、振動検出素子３０の出力信号をローパスフィルタ３３に通し、プリント基板２５や振動検出素子３０の片持ち梁構造又は両持ち梁構造の固有振動数成分を減衰させた後に、オペアンプ３４で増幅すると、固有振動数成分の信号は増幅されない。
Any of the methods shown in FIGS. 3A and 3B can be employed. Also in the method of FIG. 3A, unnecessary high-frequency component vibrations can be removed. However, if the vibration value of the natural frequency component is extremely large, the upper limit of amplification may be exceeded during amplification, and the vibration waveform may be distorted. On the other hand, in the method of FIG. 3B, since the vibration of the natural frequency component is first attenuated / removed by the low-pass filter and then amplified, the waveform is not distorted by the vibration of the natural frequency component. Further preferred. The
軸受装置１７ないしセンサユニット２０に、プリント基板や振動検出素子の固有振動数に近い加振周波数成分が加わると、図４（Ａ）に示すように振動検出素子３０の出力は、検出信号Ｖに共振周波数成分が重畳された信号Ｎとなる。しかし、ローパスフィルタ３３，３３からは、図４（Ｂ）に示すように検出信号Ｖのみが得られる。この検出信号Ｖが、次段のオペアンプ３４に供給される。そしてオペアンプ３４は、図４（Ｃ）に示すような増幅された出力信号Ｖｏを出力する。出力信号Ｖｏは、ケーブル２３を介して、図示しないモニター装置や計測器等に伝送される。こうして、軸受装置１７の状態を、正確に外部に知らせることができる。
When an excitation frequency component close to the natural frequency of the printed circuit board or the vibration detection element is applied to the bearing device 17 or the
図５は、本発明に係るセンサユニット（検出器）の第２の実施の形態を示したものである。ここに示したセンサユニット２０Ａは、ケーブル取出口の防水性を確保するために改良したもので、ケーブル取出口における防水構造以外の構成は、図２（Ａ）に示したセンサユニット（検出器）２０と共通であり、共通する部位には同番号を付して、説明を省略又は簡略化する。
FIG. 5 shows a second embodiment of the sensor unit (detector) according to the present invention. The
センサユニット２０Ａは、上方に開放した収容部を持つセンサケース２１と、センサケース２１の開放部を覆うケースカバー２２と、センサケース２１のケーブル取出口を挿通するケーブル２３とを備え、センサケース２１内にセンサ本体２４が収容されている。センサ本体２４は、プリント基板２５に、振動検出素子３０及び温度検出素子３１、及び信号を処理するための各種の電子部品などが実装されてなる。
The
ケーブル２３は、図示のように、前記センサケース２１の側板２１ｂに貫通形成されたケーブル取出口４１を挿通して装備されている。そして、このケーブル２３の一端（センサケース２１内に位置するケーブル端）は、外部被覆が除去されてケーブルを構成する配線２３ａがむき出しにされ、各配線２３ａがプリント基板２５の接続端子部に、半田付け等によって接続されている。このようなプリント基板２５との接続によって、ケーブル２３は、プリント基板２５に搭載された各検出素子や電子部品等への給電及び信号の送受を果たす。ケーブル取出口４１を通ってセンサケース２１の外部に取り出されたケーブル２３の他端は、図示はしていないが、検出素子の検出信号から転動装置の異常の有無を診断する測定装置や電源回路等に接続される。
As shown in the figure, the
本実施の形態において、ケーブル取出口４１は、側板２１ｂを水平に貫通している断面円形状の孔であるが、内径が一定ではなく、ケース内に臨む細径のケーブル固定用穴４２と、ケース外部に臨む太径の防水材充填用穴４３とによって、段付き穴に形成されている。
In the present embodiment, the
細径のケーブル固定用穴４２は、挿通するケーブル２３との間の隙間に接着剤４４を充填して、ケーブル２３を固定するためのもので、ケーブル２３との間の隙間が１ｍｍ以下となるように内径を設定している。このようにケーブル２３との間の隙間を１ｍｍ以下に設定しておくと、挿通したケーブル２３が大きくガタつくことがなく、また、接着剤の塗布時に接着剤が不用意に流動せず、ケーブル２３の固定が速やかに、且つ確実にできるようになる。
The small-diameter
太径の防水材充填用穴４３は、挿通するケーブル２３との間の隙間に防水材４５を充填して、ケーブル挿通部に外部からの雨水や塵埃等の侵入を防止する防水性を得るためのもので、ケーブル２３との間の隙間が５ｍｍ以下で、且つ細径のケーブル固定用穴４２との間の段差が０．１ｍｍ以上となる適宜値に内径を設定している。防水材充填用穴４３の穴径を設定しておくと、ケーブル固定用穴４２に塗布した余分な接着剤が防水材充填用穴４３側に溢れても、溢れた接着剤で防水材充填用穴４３が占有されることがなく、防水材４５の充填量のばらつきを少なくして、安定した防水性能を得ることが可能になる。
The large-diameter waterproof
ケーブル固定用穴４２の長さＬ１と、防水材充填用穴４３の長さＬ２は、本実施の形態の場合はＬ１：Ｌ２＝６：４程度に設定しているが、ケーブル固定用穴４２におけるケーブルの接着強度や、防水材４５における防水性能が確保できれば、それぞれの長さＬ１，Ｌ２は上記実施の形態に限定するものではない。
In this embodiment, the length L1 of the
防水材４５としては、耐熱性及び耐候性に優れ、且つ接着性があるシリコン樹脂が好ましい。なお、センサユニットの設置環境の温度変化等による熱膨張差等でケーブル取出口４１との間に剥離や隙間が生じることの無いように、使用するシリコン樹脂の硬度はあまり硬過ぎず、適度な弾性を持つものを選択することが好ましい。そこで、本実施の形態では、防水材４５として、硬度がデュロメータＡで１０〜８０であるシリコン樹脂を採用している。
The waterproof material 45 is preferably a silicon resin that is excellent in heat resistance and weather resistance and has adhesiveness. In addition, the hardness of the silicon resin to be used is not so hard so that there is no separation or gap between the
このような硬度のシリコン樹脂は、センサユニットの設置環境の温度変化等によるケーブル２３とセンサケース２１との間の熱膨張差で、防水材充填用穴４３とケーブル２３との間の隙間の間隔が変動しても、シリコン樹脂の保有する弾性によって、隙間間隔の変動を許容することができ、シリコン樹脂の接着面に剥離等が生じることがなく、良好な防水性能を維持することができる。
The silicon resin having such hardness is a gap between the waterproof
以上に説明したセンサユニット２０Ａでは、センサケース２１に貫通形成されたケーブル取出口４１に挿通したケーブル２３は、接着剤４４によってケーブル固定用穴４２に接着固定した後、防水材充填用穴４３とケーブル２３との間の隙間に防水材４５が充填される。この防水材４５の充填によって、防水材充填用穴４３とケーブル２３との間の隙間が封止されて、防水性能が確保される。従って、充填する防水材として適正なの硬度（弾性）のシリコン樹脂等を採用することで、周囲の温度変化等の影響を受けずに、長期に渡って安定した十分な防水性能を得ることができ、センサケース２１内の浸水に起因した動作不良等の発生を長期に渡って防止することができる。
In the
また、ケーブル取出口４１への防水材の充填によって防水性能を確保するため、センサケース２１から大きく突出するケーブルグランドを使用する必要が無くなり、ケーブルグランドの廃止によって、装置の小型化を実現することができる。また、ケーブルグランドの廃止によって部品点数や組み立て工程数が削減されて、コストの低減を図ることができる。
Moreover, in order to ensure waterproof performance by filling the
更に、ケーブル取出口４１を挿通したケーブル２３は、接着剤４４によってケーブル取出口４１の一部であるケーブル固定用穴４２に強固に接着・固定されているため、センサケース２１の外部の振動等でケーブル２３に張力が作用したとしても、その張力がセンサケース２１内でケーブル２３とプリント基板２５との接続部に作用することが防止される。従って、外部の振動等がケーブル２３を介してプリント基板２５上の接続部に作用して、プリント基板２５が破損したり、あるいはケーブル２３とプリント基板２５との接続部がダメージを受けることがない。
Further, since the
図６は、ケーブル取出口４１におけるケーブル２３の固定構造を更に改善したものである。この実施の形態では、ケーブル取出口４１が、ケース内に臨む細径のケーブル固定用穴４２と、ケース外部に臨む太径の防水材充填用穴４３とから構成されて段付き穴となっている点、ケーブル固定用穴４２の隙間には接着剤４４を充填してケーブル２３の接着固定を行う点、防水材充填用穴４３の隙間には防水材４５を充填して防水性を確保する点は、第２の実施の形態の場合と共通している。しかし、本実施の形態では、ケーブル固定用穴４２のケース内側は、ケース内方に向かって内径が徐々に拡径するテーパ穴４２ａになっている。そして、ケーブル取出口４１を挿通するケーブル２３に、前記センサケース２１の内側からテーパ穴４２ａに嵌合するテーパ状のブッシュ４７を装着している。ブッシュ４７は、図示はしていないが、拡径又は縮径が可能なように、軸線方向に沿って周壁が切り離されている。
FIG. 6 shows a further improvement of the fixing structure of the
このように、テーパ状のブッシュ４７を採用した構造では、ケーブル２３に外方への張力が作用した場合に、ブッシュ４７がテーパ穴４２ａ及びケーブル２３の外周に食い込む楔効果を発生して、ケーブル２３の抜けを防止する。そのため、外部からの張力に対する固定強度が強化される。ブッシュ４７がテーパ穴４２ａ及びケーブル２３の外周に食い込む楔効果は、上記のように、ブッシュ４７の周壁を軸線方向に切り離した構成としておくことによって一層顕著に得られるが、切り離しのない単純なテーパ状でも、構わない。また、ブッシュ４７は、予め、適宜接着剤によってケーブル２３の外周面に接着固定しておいても良い。
As described above, in the structure using the tapered bush 47, when the
更に、上記の第２の実施の形態や第３の実施の形態において、接着剤４４や防水材４５が接触するケーブル２３の外周面は、予め、粗面加工や化学的な表面処理を施しておくことで、接着剤４４や防水材４５との接着強度を向上させたり、あるいは、シリコン樹脂の硬化阻害を防止すると良い。また、上記の実施の形態では、防水材として、シリコン樹脂を採用したが、耐熱性，耐候性，接着性，弾性等で同等の性能を有するその他の樹脂を利用することが可能である。
Furthermore, in the second and third embodiments described above, the outer peripheral surface of the
更に、以上のセンサユニット２０，２０Ａでは、センサケース２１内には、検出素子として、振動検出素子と温度検出素子とを装備した。しかし、装備する検出素子は上記実施の形態に限定するものではない。センサケース２１内に装備する検出素子は、単一又は複数でも良く、温度検出素子、振動検出素子、速度検出素子の少なくとも一つ以上が装備されて、転動装置の状態を検出するものであればよい。
Further, in the
また、本発明は、以上に説明した各実施の形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、ケーブル２３で信号を取り出していたが、無線などを使用してワイヤレスで信号を伝送してもよい。ワイヤレスの場合は、可動輪側に（可動部材側に）センサユニットを設けてもよい。また、ローパスフィルタ３３やオペアンプ３４は複数段設けてもよい。オペアンプ部にフィルタを併設することもできる。また、軸受装置１７における転がり軸受は玉軸受に限らず、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受や、各種の複列軸受でもよい。
Further, the present invention is not limited to the embodiments described above, and appropriate modifications and improvements can be made. For example, in the above embodiment, the signal is extracted by the
更に、軸受装置１７に限らず、図７に示すようにボールねじ５０に本発明を適用することもできる。ボールねじ５０では、ナット５１にセンサユニット６０を取り付けることにより、ねじ軸５２とナット５１との係合部における剥離等の異常を検知することができる。なお、センサユニット６０の取付け相手はナット５１に限らず、ねじ軸５２をサポートしている固定側のサポートユニット５３や単純支持側のサポートユニット５４に取り付けてもよい。ねじ軸５２はロックナット５５により固定側のサポートユニット５３に軸方向に固定されており、カップリング５６を介して結合された駆動モータ５７によって回転する。また、ボールねじに限らず、リニアガイドやその他の直同部品における可動部やレールにセンサユニット６０を取り付けることによって、剥離等の異常を検知することもできる。
Furthermore, not only the bearing device 17 but also the present invention can be applied to the
また、図８に示すように、上述したセンサユニット２０を、別のセンサユニット９０とともに、転動装置に設けることもできる。センサユニット９０は、ハウジング８８の内面と外面とを貫通する取付孔８８ａに挿通されている。ハウジング８８内における軸８５の端部には、被検出部材としての速度検出用歯車８６が設けられている。速度検出用歯車８６は、鋼材等の磁性金属材料からなり、その外周縁部における磁気特性を円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させている。軸８５が回転することで、歯車８６が回転する。速度検出用歯車８６の代わりに、Ｓ極、Ｎ極が互い違いに着磁された磁極部がその外周面に形成された速度検出用エンコーダを採用することもできる。センサユニット９０のプリント基板９５の先端部には、速度センサ１０１が配置されている。センサユニット９０をハウジング８８に取り付けた際に、速度センサ１０１はハウジング８８の内面より突出した位置で速度検出用歯車８６に近接配置される。このように、速度検出用歯車８６の最も近くに速度センサ１０１を配置することで、速度を正確に測定できるようにしている。速度センサ１０１は、軸８５が回転する際に、速度検出用歯車８６の磁気特性の変化による変動磁束（磁束量の変化）に基づいてパルス状の速度信号を出力する。こうして、軸８５の回転速度も測定して、異常検出をより確実に行うことができる。
Moreover, as shown in FIG. 8, the
１０ センサ付軸受装置（センサ付転動装置）
１１ 転がり軸受
１２ 外輪
１３ 内輪
１５ 軸
１７ 転がり軸受装置（転動装置）
２０，２０Ａ センサユニット（検出器）
２３ ケーブル
２５ プリント基板
３０ 振動検出素子
３２ バッファアンプ
３３ ローパスフィルタ
３４ オペアンプ（増幅器）
４１ ケーブル取出口
４２ ケーブル固定用穴
４２ａ テーパ穴
４３ 防水材充填用穴
４４ 接着剤
４５ 防水材
４７ ブッシュ
５０ ボールねじ
10 Bearing device with sensor (Rolling device with sensor)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Rolling bearing 12
20, 20A sensor unit (detector)
23
41
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